Файл: Мамедов, А. А. Нарушения обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения.pdf

ления величины дополнительной боковой нагрузки, выведенная Г. М. Саркисовым, имеет следующий вид [70]:

массы.

Расчеты автора по формуле (74) при следующих условиях:

верстий на сопротивляемость труб смятию гидростатическим давлением.

В работе [21] даны результаты испытаний на смятие гидро­ статическим давлением, 39 натурных патрубков длиной 1,6 м, отрезанных от девяти обсадных труб диаметром 168 мм, групп

в большинстве случаев образовались надрывы или небольшие сквозные трещины длиной 10—15 мм и высокие заусенцы. Не­ смотря на это, понижение сопротивляемости этих патрубков смятию по сравнению с патрубками без отверстий не превыша­ ло в среднем 3,4%.

отверстий в одном сечении (от четырех до восьми) не влияет на снижение сопротивляемости трубы. Незначительность влия­ ния перфорированных отверстий на устойчивость труб при смятии установлена и теоретически.

В работах [76, 32, 33] даны аналитические расчетные фор­ мулы для определения критического давления потери устойчи­

53

вости труб, ослабленных отверстиями. Эти формулы аналогич­ ны известным формулам Ляме, Брайена, Булгакова, Саркисова и других для определения критического давления и отличают­ ся от них двумя поправочными коэффициентами, учитывающи­ ми диаметры отверстий, расстояние между ними и т. п.

В этих работах установлено, что в зависимости от разме­ ров отверстий и частоты их расположения. по образующей трубы меняется критическое давление потери устойчивости.

Так, по данным работы [32] для труб (диаметр 168 мм,, группа прочности Д, толщина стенки 9 мм) с отверстиями, раз­ меры и расположение которых примерно соответствуют отвер­ стиям, полученным перфоратором типа АПХ-98, понижение критического давления в сравнении с такими же трубами без отверстий составляет 1%. Это же снижение по данным работы [33] составляет 3—4%. Авторами этих работ также установле­ но, что наличие одного ряда отверстий, расположенных по окружности трубы, не снижает ее устойчивости и величина кри­ тического давления (потери устойчивости) не зависит от схемы расположения отверстий на поверхности трубы (по прямо­ угольной или шахматной сетке).

Как видно из приведенных выше работ, наличие отверстий незначительно снижает сопротивляемость труб смятию и это снижение не может быть причиной нарушения обсадной колон­ ны в зоне фильтра. Исследования показывают, что в процессе эксплуатации скважины на фильтровую часть обсадной колон­ ны кроме боковой нагрузки окружающей среды еще действует вертикальная нагрузка, и причину нарушения обсадных колонн

взоне фильтра нужно объяснять воздействием последней. Причину возникновения вертикальной нагрузки в зоне

фильтра можно объяснить следующим образом.

Из механики грунтов известно, что до проходки подземной выработки давление в горных породах подчиняется геостатическому закону, т. е. зависит от глубины данной точки и от объемного веса вышележащих пород. После проходки горной выработки геостатическое распределение давления в породах вблизи стенок выработанного пространства нарушается. Сле­ довательно, в них возникают деформации расширения и сдви­ гов. Начинаясь у стенок, эти деформации захватывают некото­ рую зону вокруг выработки. Породы этой зоны кусками могут вываливаться в выработки. В результате этого образуется раз­ гружающий свод, передающий давление вышележащих пород на более отдаленные неразрушенные участки грунта. Подобная картина имеет место и в зоне фильтра в процессе эксплуата­ ции скважины.

В связи с выносом большого количества песка из призабой­ ной зоны, продуктивный горизонт у фильтра постепенно разру­ шается и окружающая масса переходит в текучее состояние. Слабая устойчивость горных пород, а также радиальный ха­

54

рактер притока жидкости к скважине еще более усиливают разрушение продуктивного горизонта. Наличие за колонной незакрепленной выработки и свода на ней приводит к обра­ зованию вертикальной нагрузки, вызванной силами трения грунта о колонну. Следовательно, в зоне фильтра эксплуата­ ционная колонна кроме бокового давления окружающей среды еще испытывает действие осевой силы. Причем величина этой силы такая, что в зависимости от длины фильтра может про­ изойти продольный изгиб фильтровой части или же отвод ко­

лонны выше ее.

Т. Е. Еременко [30] и А. А. Шахназаров [80] также считают, что фильтровая часть эксплуатационных колонн деформирует­ ся в результате воздействия на нее вертикальной нагрузки, вызывающей продольный изгиб труб.

Г. А. Бабалян в работе [11] указывает, что в процессе, эксплуатации скважин в результате выноса песка пористость пород призабойной зоны достигает критического значения, при котором небольшие изменения депрессии вызывают самопро­ извольные осадки грунта. В случае самопроизвольных осадок вышележащие породы теряют под собой опору и от них отка­ лывается масса, имеющая форму полусферы. Отколовшаяся масса породы, имея под собой в момент оседания жидкое осно­ вание, приобретает подвижность как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Одновременно воздействие го­ ризонтальной и вертикальной сил приводит к деформации колонн.

Однако в этих работах [11, 30, 80] не определяется величи­ на вертикальной силы, являющейся в данном случае основным фактором в зоне фильтра, приводящим к нарушению колонны.

Осевая нагрузка, вызванная силами трения грунта о колонну

В результате выноса песка окружающая масса у фультра постоянно разрушается. Разрушение массы происходит по плоскости скольжения, имеющей замкнутую поверхность (по­ добно конусу). Так как песок беспрерывно выносится из при­ забойной зоны, конус обрушения превращается в усеченный конус, при этом радиус малого основания определяет величину выработки (рис. 15).

Радиус большого основания усеченного конуса, который зависит в основном от мощности фильтра, определяет разме­ ры податливой плоскости, над которой образуется свод. Свод представляет собой половину трехосного эллипсоида, размеры которого при ф ^45° определяются из следующего соотноше­ ния [38]:

55

где b — большая полуось эллипса; а — малая полуось эллипса; Ф — угол внутреннего трения грунта.

Таким образом, масса горных пород, заключенная внутри свода, как бы освобождается от действия всей массы породы, представляя собой «свободное тело». Наличие «свободного те­ ла» вокруг колонны, не имеюще­ го под собой опору, вызывает осе­ вую нагрузку. При определении осевой нагрузки от «свободного тела» исходим из способа опре­ деления давления в высоких па­ раллельных стенках с замкнутым

давление, действующее в любом горизонтальном сечении, распре­

и колонны; б) вертикального давления на верхнюю плоскость выделен­

ного элемента

n(x2 — r2)pv\

в) вертикального давления на нижнюю плоскость выделен­ ного элемента

n(x2 — r2)(pv + dpv);

г) горизонтального давления на боковую поверхность

2я (х — г) dzph;

56

д) сопротивления трения по боковой поверхности

2л (х + г) dzFh.

Если принять, что угол трения грунта о стенку равен углу внутреннего трения грунта, для сопротивления трения получим

2л (х + г) dzphtgcp.

Напишем условие равновесия всех -сил, действующих на вы­ деленный элемент в направлении г:

dz

‘ V - T - ( - S ' )

Уравнение (79) сводится к уравнениям с разделяющимися переменными посредством замены функции pv произведением двух новых функций. Решив это уравнение указанным спосо­ бом, получим

57